풍력발전기 원리, 구조 및 전망

미국과 유럽을 비롯한 전 세계 선진국의 잇따른 '탄소중립' 선언은 세계의 기술 트렌드는 물론이고 기업의 생태계까지 바꾸고 있다. 특히 최근 대체에너지로서 관심을 받고 있던 신재생에너지에 대한 관심과 흥미를 다시 일으키게 하는 원동력이 되고 있다. 풍력발전도 신재생에너지 중의 하나로서 전 세계적으로 그 붐이 일고 있다. 우리나라에서도 풍력발전에 대한 관심이 높은 편이다. 문재인 대통령이 올해 초 전남 신안군에서 열린 해상풍력 단지 투자 협약식에서 "우리나라를 2030년에는 해상풍력 세계5대 강국으로 도약시킬 것"이라고 언급하기도 했다.

 

이런 추세에 대응하기 위해 두산중공업을 위시한 국내기업들도 풍력발전 사업을 키우기 위해 노력과 연구를 하고 있다. 이번 포스팅에서는 풍력(바람의 힘)으로 전기를 생산해내는 풍력발전기에 대해 알아보도록 한다.

 

블레이드가 3개인 이유

 

풍력발전기는 얼핏 보면 우리가 흔히 알고 있는 풍차와 외양면에서 비슷하다. 하지만 풍력발전기에는 전기를 생산하기

위해 내부에는 많은 부품들이 갖춰져 있다. 그중에서도 가장 핵심적인 부품을 예로 들면, 크게 타워(Tower), 블레이드(Blade), 회전축(shaft), 주축(main shaft), 증속기(shaft), 발전기(generator)로 구성되어 있다.

 

바깥에서 볼 때 풍력 발전의 주요 구성 부품은 타워와 블레이드이다. 타워라는 단어가 '탑'을 의미하는 것처럼 타워는 풍력발전기를 지지해주는 구조물로서 기둥역할을 하는 것이다. 또한 블레이드는 일종의 날개 역할을 하는 것으로서 외부에서 불어오는 바람에 의한 에너지를 회전 운동에너지로 변환시켜주는 장치이다. 블레이드가 회전을 하게 되는 원동력은 바람이 이 블레이드 표면을 지나갈 때 생기는 양력(lift force)이다. 여기서 양력이란 물체 주위로 바람과 같은 유체가 흐를 때 물체 표면에서 유체의 흐름에 대해서 수직으로 발생하는 힘으로 대부분의 물체를 공중에 뜨게 하는 힘을 말하며 비행기가 공중에 뜨는 것도 이 양력에 의해서다. 한편 바람의 속도가 낮은 지역에서는 블레이드 길이를 늘려서 양력을 증가시키기도 한다.

 

일반적으로 풍력발전기의 블레이드 개수는 3개이다. 블레이드 개수가 3개인것은 바로 에너지 효율을 높일 수 있는 최적의 조합이기 때문이다. 블레이드의 개수 1~2개 이면 바람을 받는 면적이 줄어들어서 그만큼 양력이 줄어들고 따라서 에너지 손실이 발생한다. 그리고 1~2개 일 때 회전 자체가 불규칙하고 심할 경우 진동도 발생한다. 반면에 블레이드 개수가 3개보다 많게 되면 개수의 증가로 인한 무게 증가로 인해서 발전효율이 떨어진다. 즉 발전의 효율성과 제작비용 및 안전성등의 여러 기술적 요인등을 고려할 때 3개가 가장 최적의 조합인 것이다.

 

풍력발전기의 내부를 살펴보면 외부에서 바람에 의한 에너지를 본격적으로 전환시키기 위한 부품들이 있다. 회전축과 주축은 블레이드를 통해 전환된 회전운동에너지를 증속기와 발전기로 전달하는 장치들이다. 이중에서 증속기는 블레이드의 회전속도 자체를 증가시켜서 발전기를 구동시키는 장치이다. 웬만한 회전속도로는 발전기를 구동할 수 없기 때문이다. 증속기가 가지고 있는 하나의 단점은 고장 발생률이 높다는 것이다. 따라서 증속기가 고장 나면 운전자체가 안되서 풍력발전기를 운용할 수 없다. 또 증속기가 한 번 고장나면 운전정지가 장기화될 수도 있다. 그래서 최근에는 풍력발전기 내부에 이 증속기를 설치하지 않고 아예 발전기안에 장착되는 영구 자석의 극(Pole)수를 늘려서 회전속도를 증가시키는 방식도 보급되고 있다. 발전기는 전기 자체를 생산해내는 장치이다. 증속기등을 통해 전달받은 기계에너지를 이용해서 내부에 있는 로터를 회전시켜 전기를 생산해내는 것이다.

 

풍력발전기에서 최종적으로 생산된 에너지는 전압이 일정하지가 못하다. 왜냐하면 외부에서 불어오는 바람이 항상 일정하지가 못하기 때문이다. 즉 바람의 속도가 일정하지 않거나 풍량이 일정하지 못한 것이다. 그래서 이런 문제를 해결하기 위해 풍렬발전기에는 변환장치(Inverter)를 설치한다. 이 변환장치는 생성된 전기의 전압을 일정하게 변환 및 유지시켜주는 장치이다. 이렇게 일정한 전압을 갖게 된 전기는 다시 변압기로 이동해서 발전소로 보내기 위한 적정한 저압으로 낮아진다. 이렇게 생성된 저압의 전기는 풍력발전기 타워 내부에 설치된 전선을 통해 발전소로 송전된다.

 

육상풍력 vs 해상풍력, 고정식 vs 부유식

 

풍력발전기는 물론 바람이 많이 부는 곳에 설치한다. 풍속(바람의 속도)이 초속 3~13m 정도 돼야 최고 출력을 발생시킬 수 있다. 초속이 20m를 넘어가면 풍력발전기의 안전상의 이유로 작동이 멈추게 되어 있다. 참고적으로 말하면 풍력발전기의 전기 생산량은 풍속의 세제곱에 비례한다. 즉 풍속이 빠르면 빠를수록 전기 생산량은 많아지게 된다. 따라서 풍력발전기는 일반적으로 풍속이 빠르고 풍향이 일정한 곳에 설치가 되는데 이런 지역으로 적합한 곳은 고산지대나 바다 등이다.

 

풍력발전기는 일반적으로 육지와 바다에 설치하는데, 육지에 설치하면 육상풍력, 바다에 설치하면 해상풍력이라고 한다. 풍력발전기가 도입된 초창기에는 주로 육지에 많이 설치가 되었다. 그러나 육상풍력에 여러 문제가 발생하면서 최근에는 바다에 설치하는 해상풍력이 증가하고 있다. 풍력발전에는 블레이드의 회전으로 인한 소음이 발생하게 되는데 이 문제는 육상풍력발전에서는 문제가 될 수 있다. 왜냐하면 주변에 거주하는 사람들이 이 소음으로 인한 피해를 입을 수 있기 때문이다. 또 육지 중에서 대부분 고산지대에다 설치하다 보니 산림이나 주변 자연경관이 훼손될 수도 있다.

 

바다에 설치되는 해상풍력은 그 설치 방식에 따라 고정식과 부유식으로 나눈다. 고정식은 콘크리트와 쇠기둥 등을 이용해서 해저지반에 고정하는 방식이고 부유식은 해저 지반에 닻과 쇠줄로 연결된 부유체 위에 세우는 방식이다. 두 방식 모두 육상풍력발전과 같이 타워구조물을 갖추고 있으나 그 타워가 서 있는 곳이 해저지반 그 자체냐 부유체이냐에 따라 다른 것이다. 한국에너지 공단에 의하면 해상풍력발전은 수심이 50~60m 되는 곳에도 설치가 가능하다고 한다.

 

당연한 얘기이지만 해상풍력에서는 고정식보다 부유식이 더 많은 기술력이 요구된다. 무엇보다도 부유식 해상풍력을 건설하기 위한 해양구조물을 먼저 건설해야 하기 때문이다. 그래서 부유식 해상풍력은 고정식 해상풍력보다 아직 상용화가 덜 된 상태이다. 그 기술의 난점 때문에 부유식 해상풍력발전은 세계적으로 몇 안 되는 나라 만이 건설기술을 가지고 있는데, 세계풍력협회에 따르면 부유식 해상풍력발전을 설치한 나라는 영국, 포르투갈, 노르웨이, 프랑스, 일본등 모두 5개 나라 뿐이다. 하지만 전문가등에 따르면 부유식 해상풍력이 주를 이룰 거라는 전망이 지배적이다. 왜냐하면 부유식은 고정식보다 바다 멀리에 설치가 가능해서 인근 주민들의 피해나 민원을 최소화할 수 있고 먼 바다에서 부는 많은 양의 바람을 활용할 수 있기 때문이다.

 

최근 해상풍력 시장에 뛰어든 국내기업들에는 여러 곳이 있는데 가장 대표적인 곳이 두산중공업과 삼성중공업이다.

 

가장 먼저 뛰어든 두산중공업이 두드러질만한 성과를 내고 있다. 두산중공업은 2005년부터 풍력 기술 개발에 최초로 뛰어들어서 이미 자체 기술력을 확보하고 있는 상태이다. 또한 국내에서 유일하게 해상풍력 단지를 설계하고, 설치까지 한 경험이 있는 회사이다.

 

삼성중공업은 최근 부유식 풍력발전 시장 진출을 선언한 바 있다. 또 최근에는 9.5MW급의 해상 풍력 부유체 모델을 독자적으로 개발해서 노르웨이 선급인 DNV로부터 기본설계인증을 획득하기도 했다.

 

이외에 포스코나 세아제강지주와 같은 국내 철강업계 들도 풍력발전시대를 대비하고 있는 것으로 알려졌다.